DE2459438A1 - Staustrahltriebwerk fuer den blattspitzenantrieb von drehfluegelflugzeugen - Google Patents

Description

• Staustrahltriebwerk fLir den Blattspitzenanrieb von Drehflügelflugzeugen Die Erfindung betrifft einen Antrieb für senkrecht startende Flugzeuge und insbesondere einen am Rotor angeordneten Antrieb.
• Senkrecht aufsteigende und landende Flugzeuge gehören im allgemeinen einem von zwei verschiedenen Typen an, nämlich dem Typ des Hubschraubers ode dem Typ des Tragschraubers.
• Hubschrauber erhalten ihren Auftrieb durch Drehung von horizontal angeordneten Rotorblättern. Der Antrieb wird allgemein durch einen im Hubschrauberrumpf vorgesehenen Motor bewirkt, welcher über ein komplexes Getriebe mit dem Rotor verbunden ist. Die Geschwindigkeit des Aufstiegs oder des Abstiegs wird durch eine Änderung der Neigung der Rotorblätter bewirkt und die Vorwärts-, Seitwärts- oder Rückwärtsbewegung wird durch änderung der periodischen Neigungsänderung des Rotors gesteuert, d. h. durch Verschwenken der Rotorebene in die gewünschte Bewegungsrichtung. Zusätzlich ist ein vertikal angeordneter Heokrotor vorgesehen, welcher vom gleichen Motor über eine Transmission angetrieben wird. Dieser Zusatzrotor sorgt für eine Verschwenkung des Hubschrauberrumpfes um die Achse des horizontalen Rotors zur Aufrechterhaltung der gewählten Bewegungsrichtung, Ferner dient der Heckrotor der Kompensation des Drehmoments, welches durch den Hauptmotor hervorgerufen wird, so daß eine Drehbewegung des Rumpfs in entgegengesetzter Richtung zur Drehrichtung des horizontalen Rotors verhindert wird.
• Ein Traghubschrauber umfaßt einen Motor im Hubschrauberrumpf.
• Dieser treibt einen vertikal ausgerichteten Propeller an, welcher an der Rumpfspitze angeordnet ist und den Vortrieb besorgt. Ferner ist ein frei rotierender horizontaler Rotor über dem Rumpf vorgesehen. Am Heck des Rumpfes sind vertikale und horizontale Leitflächen vorgesehen, welche für die Orientierung des Rumpfes gegen den Fahrtwind wshrend der Vorwärtsbewegung sorgen. Im allgemeinen ist der Beitungswinkel der Rotorblätter sowie die periodisch sich ändernde Neigung des Rotors durch den Piloten steuerbar. Die Vorwartsbewegung des Tragschraubers wird durch den Vortrieb-Propeller bewirkt.
• Der durch die Vorwärtsbewegung erzeugte Luftstrom wirkt sodann auf den horizontalen Rotor ein und bringt diesen in Drehung.
• Die Drehbewegung des horizontalen Rotors bewirkt ein variables Maß an Auftrieb, wenn man in richtiger Weise von der Steuerung der Blattneigung und von der Steuerung der periodischen Blattwinkelverstellung Gebrauch macht. Die am Heck angeordneten vertikalen und horizontalen Leitflächen sorgen fär eine Orien-tierung des Rumpfes hinsichtlich Neigung und Richtung, Diese beiden Typen von vertikal aufsteigenden und absteigenden Drehflügel-Flugzeugen haben beide bestimmte Vorteile. Sie haben jedoch auch bestimmte aber nicht beziehungslose Nachteile. Der Hubschrauber erfordert einen allgemeinen leistungsstarken groß-dimensionierten und schweren Motor zur Drehung des Rotors. Die zugehörige Kraftübertragung ist komplex und teuer. Die Steuersysteme sowie die Rotorwelle müssen besonders schwer konstruiert sein, um die erwarteten Belastungen aufzunehmen. Ferner leiden Hubschrauber unter einer Beschränkung ihres Betriebsverhaltens, welches unter der Bezeichnung "Tod-Kurve" (dead man's curve) bekannt ist.
• Diese Kurve ist definiert durch verschiedene Kombinationen von Vorwärtsgeschwindigkeit und Höhe über dem Erdboden, welche keine sichere Landung unter Anwendung der Auto-Rdation bei Ausfall des Motors erlauben. So muß der Hubschrauber bei geringen Höhen eine erhebliche Vorwärtsgeschwindigkeit haben, um bei Ausfall des Motors sicher landen zu können.
• Ein Tragschrauber bedarf einer Vorwärtsbewegung, damit der horizontale Rotor sich dreht und einen Auftrieb bewirkt.
• Daher müssen Tragschrauber in der Art herkömmlicher Flugzeuge landen und starten. Aufgrund dieser Abhängigkeit von einer gewissen Vortriebsgeschwindigkeit zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Drehgeschwindigkeit des horizontalen Rotors kommen daher nur kurze und momentane vertikale Aufstiege in Frage. Sobald der Motor ausfällt und der Vortrieb entfällt, kann der Tragschrauber durch Auto-Rotation sicher landen, Auch hier müssen jedoch die sogenannten "Tod-I(urven" gemieden werden.
• In den vergangenen Jahren ^wurden vielfältige Anstrengungen unternommen, um die genannten Nachteile der beiden Drehflügel-Flugzeugtypen zu verringern. Eine Kombination der beiden Typen, welche als Flugsohrauber bekannt ist, vermeidet eine Reihe nach Nachteilen der beiden genannten Systeme. Der Flugschrauber umfaßt einen Motor zur Bereitstellung des Vortriebs. Ein zweiter Motor dient zur Drehung des horizontalen Rotors. Ferner sind Leitflächen, ähnlich wie bei einem Tragsohrauber, vorgesehen. Mit diesem Fluggerät ist ein länger anhaltender vertikaler Anstieg möglich, da der horizontale Rotor angetrieben wird. Ein längerer horizontaler Flug ist dabei ebenfalls möglich, wobei der Blugschrauber als Tragschrauber bedient wird und wobei der horizontale Rotor angetrieben werden kann oder ohne Antrieb verbleiben kann. Die Neigungssteuerung und die Richtungssteuerung werden durch eine Kombination einer Steuerung der Neigung und einer Steuerung der periodischen Blattwinkelverstellung der Rotorblätter sowie durch eine Bewegung der Leitflächen bewirkt.
• Ein wesentlicher Nachteil des Flugschraubers besteht in der Kraftübertragungauf den Rotor. Trotz wesentlicher Verbesserungen ist die zusätzliche Antriebsquelle und die zusätzliche Übertragung recht teuer, so daß sich dieser Flugschrauber nicht besonders durchgesetzt hat.
• Eine weitere Entwicklung begann in der Vereinigten Staaten und mit einem gewissen Erfolg auch im Ausland, insbesondere in Holland. Bei anderweitig herkömmlicher Hub schrauber-Konstruktion wurde der Motor im Hubschrauberrumpf durch Staudruck-Strahltriebwerke an den Blattspitzen des Rotors ersetzt. Ein kleiner Motor treibt über ein leichtes Getriebe den rückwartigen vertikalen Rotor an und bewirkt somit Richtungsstabilität. Da nun der Antrieb aus dem Rumpf an die Spitzen der Rotorblätter verlagert ist, entfällt der bei dem vorgenannten Typ erforderliche schwere Motor. Darüber hinaus entfallen aufgrund der äußersten Einfachheit der Staustrahltriebwerke komplexe Treibstoffsysteme und Zündsysteme und die Rotornabe und die Rotorwelle werden erheblich vereinfacht.
• Ein solcher Blugschrauber ist unter der Bezeichnung "Kolibrie Hubschrauber" bekannt geworden. Dies ist der erste lufttüchtige Staustrahltriebwerk-Hubschrauber.
• Die offenbaren Vorteile einer Verwendung von Antrieben an den Blattspitzen des Rotors sollen im folgenden aufgezählt werden: Eine Motorkühlung ist nicht erforderlich. Ferner entfällt eine komplizierte Transmission. Ferner entfällt ein schweres Getriebegehäuse. Ferner entfällt der Freilauf und die Kupplung sowie die Drehmomentkompensation. Aufgrund des Staustrahltriebwerks erhält man zusätzliche Vorteile, namlich einen einfachen Aufbau, verringerte Wartungskosten, geringes Gewicht, keine Treibstoffpumpe und einen Rotor mit hohem Trägheitsmoment.
• Die Verwendung von Staustrahltriebwerken hat jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Zunächst ist der Treibstoffverbrauch recht hoch. Zweitens ist der Geräuschpegel recht hoch und drittens müssen größere Luftwiderstände in Kauf genommen werden.
• Daher wurden grobe Anstrengungen zur Verbesserung dieses Antriebssystems unternommen. Die Firma Marquardt Aircraft Company hat zu diesem Zweck ein zwei-dimensionales Staustrahltriebwerk entwickelt. Tests haben gezeigt, da?. das Staustrahltriebwerk nicht notwendigerweise axial symmetrisch sein muß um höchste Leistung zu bringen. In der Tat erzielt man die gleiche Leistung und in manchen Fällen eine bessere Leistung mit einem Staustrahltriebwerk mit einem langgestreckten oder rechteckförmigen Einsatz, einer langgestreckten oder rechteckförmigen Verbrennungskammer und einem langgestreckten oder rechteckförmigen Auslaß im Vergleich zu dem zylindrischen Staustrahltriebwerk.
• Einer der wesentlichen Gründe für dieses Testergebnis ist in der auf die Flamme innerhalb des Staustrahltriebwerkes einwirkenden Zentrifugalkraft zu sehen. Bei einem axial symmetrischen Staustrahltriebwerk ist das Triebwerk symmetrisch um die I,ängsachse angeordnet. Die Zentrifugalkraft führt jedoch zu einer Verschiebung der Verbrennung aus der Mitte des Staustrahltriebwerks heraus. Dies fahrt zu einer Verlagerung der Verbrennung in Bezug auf die Flamimenhalter und in Bezug auf andere symmetrisch angeordne-te Einrichtungen. Diese Verlagerung führt zu Verbrennungsverlusten. Bei einem rechteckförmigen Staustrahltriebwerk unterliegt die Verbrennung natürlich auch der Einwirkung der Zentrifugalkraft, welche zur Verlagerung der Verbrenmmgszone fahrt. Diese Verlagerung führt jedoch nicht in gleichem Maße zu einer Fehlausrichtung der Verbrennung in Bezug auf die Flammenhalter und andere Einrichtungen wie bei einem axialen Staustrahltriebwerk.
• Da die Flammenhalter und die anderen Einrichtungen sich über die volle Breite des Staustrahltriebwerks erstrecken und nicht symmetrisch um eine Längsachse angeordnet sind.
• Mit dieser Erfahrung hat nun die Marquardt Aircraft Oompany ein Staustrahltriebwerk mit rechteckiger Verbrennungskammer entwickelt. Die Außenfläche dieses Triebwerks entspricht allgemein der Tragflügelgestalt der Rotorblätter. Es wurden verschiedene Versuche mit dem SuSteinlaß unternommen Der Lufteinlaß wurde sowohl variabel als auch stationär vorgesehen. Es wurde festgestellt, daß ein variabler lufteinlaß vom Standpunkt der Steuerbarkeit im Vergleich zu den damit erzielten Vorteilen nicht praktisch ist. Es wurde ferner gefunden, daß der Auslaß verschlossen werden kann. In diesem Falle findet ein Suf-tcruckstau am gegenüberliegenden Lufteinlaß statt. Dieser Stau entspricht etwa der Vorderkante des Tragfligels. Somit bietet das Verschließen des SuSteinlasses wenig Vor-teil, wenn man den Auslaß verschließen kann.
• Es wurden verschiedene KonstruRtionen zur selektiven und wirksamen Öffnung und Schließung des Auslasses vorgeschlagen. Vo Standpunkt der Steuerbarkeit, der Leistung und des Betriebsverhaltens wurde schließlich eine Konstruktion mit flexibler Außenhaut an der Oberseite und an der Unterseite des hinteren Bereichs des Staustrahltriebwerks bevorzugt.
• Der Auslaß wird dadurch geöffnet, daß man die Außenseite des Staustrahltriebwerks gegen die Innenseite preßt. Dies führt dazu, daß die flexible Haut auseinandergebogen wird und einen allgemein rautenförmigen Lufteinlaß bildet.
• Die Steuerung der Bewegung der Außenseite des Staustrahltriebwerks bietet keine schwierigen Probleme. Andererseits stellte jedoch die Auswahl des flexiblen Materials erhebliche Probleme.
• Das wichtigste Kriterium für die Materialwahl war ein leich--tes Gewicht, um ibermäßige Auswuchtungen an der Vorderkante des Rotors zu verhindern und um den Schwerpunkt an der gewünschen Stelle zu halten. Die Verwendung von Aluminium (wegen seines leichten GeWichts bevorzugt) ist unbefriedigend, da das Aluminium den hohen Temperaturen der Verbrennungsgase nicht standhält. Flexibles Titan ist in vieler Hinsicht befriedigend. Dieses Material ist jedoch recht teuer und die Herstellungskosten sind so hoch, daß dieses Material nicht zur Herstellung der Staustrahltriebwerke verwendet werden konnte.
• Es muß also festgestellt werden, daß durch die Arbeiten der Marquardt Aircraft Company die folgenden Erkenntnisse gewonnen wurden. Erstens, nicht zylindrische Staustrahltriebwerke sind verwendbar und zeigen ein günstiges Betriebsverhalten, Zweitens, tragflügelförmige Staustrahltriebwerke haben einen geringeren Widerstand als zylindrische Staustrahltriebwerke. Drittens, tragflügelförmige Staustrahltriebwerke führen bei Auto-Rotationsbetrieb zu einem Zwangsauftrieb, vorausgesetzt, daß der SuftauslaS verschlossen ist. Viertens, die große Rotorträgheit aufgrund der an den Blattspitzen befestigten Staustrahltriebwerke vermeidet die Tod-Kurven der Hubschrauber.
• Dennoch zeigt die bisherige Konstruktion der Staustrahltriebwerke mit verschließbarer Austrittsöffnung die genannten Nachteile, so daß sich dieses Antriebssystem bisher nicht durchsetzen konnte.
• Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Staustrahltriebwerk für den Blattspitzenantrieb von Rotoren zu schaffen, welches bei mechanisch einfachem Aufbau ein sicheres Öffnen und Schließen der Austrittsöffnung erlaubt, zu einem Trägheitsmoment des horizontalen Rotors führt, die Verwendung eines niedrig-schmelzenden Materials für den Verschlußmechanismus erlaubt und zu geringen Widerstandsverlusten bei abgeschaltetem Staustrahltriebwerk führt und einen zusätzlichen Auftrieb liefert.
• Erfindungsgemäß wird die Auslaßöffnung des Staustrahltriebwerks selektiv durch eine tragfligelförmige lügelklappe geöffnet und geschlossen. Wenn der Auslaß verschlossen ist, so wirkt die Flügelklappe als Verlängerung des tragflügelförmigen Staustrahltriebwerks und verringert so den Widerstand bei abgeschaltetem Triebwerk, Die Bewegung der Flügelklappe wird durch Betätigen der Treibstoffzufuhr zum Staustrahltriebwerk gesteuert.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Tragsohrauber mit dem erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerk; Fig. 2 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerkes; Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2 und Fig. 4 eine Ansicht eines abgewandelten Staustrahltriebwerks ähnlich der Schnittansicht gemäß Fig. 3.
• Fig. 1 zeigt einen Blugschrauber mit einem Rumpf 1, einem Fahrwerk 2, einem Propeller 5 und einem Motor im Sumpf 1 für den Vortrieb. Ferner sind vertikale und horizontale Stabilisatoren 3 und 4 am Heck vorgesehen. Sie dienen der Steuerung der Längsneigung und der Seitenstabilität. Eine Kanzel 6 ist im allgemeinen unterhalb dem Rotorblatt 8 angeordnet und dient der Aufnahme von Personen und Ladung. Eine Rotorwelle erstreckt sich vom Rumpf 1 aufwärts. Die Rotornabe 7 ist fest mit dem Rotorblatt 8 verbunden und fest mit der Rotorwelle verbunden.
• Zusätzlich sind Steuereinrichtungen für die Steuerung des Blattanstellwinkels und der periodischen Blattwinkelverstellung vorgesehen, sowie Brennstoffleitungen und elektrische Beitungen, welche sich vom Rumpf 1 zur Rotornabe 7, und zwar innerhalb oder außerhalb der Rotorwelle erstrecken. An den Tragflügelspitzen sind Staustrahltriebwerke angeordnet.
• Im folgenden wird die Arbeitsweise des Staustrahltriebwerks 8 erläutert. Zum Betrieb bedarf dieses einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit. Daher ist eine Hilfsstartvorrichtung vorgesehen, welche den Rotor 8 in genügende Drehgeschwindigkeit bringt, damit das Staustrahltriebwerk 9 mit einer minimalen Geschwindigkeit durch die Zuluft bewegt wird. Eine einfache lösung dieses Problems ist ein kleiner Motor (z.B.
• 2 FS) im Rumpf 1. Der Rotor kann mit dem Motor über ein leichtes Getriebe verbunden sein. Sobald die Staustrahltriebwerke zünden, wird der Motor abgeschaltet.
• Ferner ergeben sich Vorteile hinsichtlich der mreibstoffzufuhr. Für die Zeitdauer des Beginns der Treibstoffzufuhr ist eine Pumpe erforderlich. Sobald jedoch der Rotor einmal in Drehbewegung ist, wird der Treibstoff in den Treibstoffleitungen mittels der Zentrifugalkraft gefördert und die Treibstoffpumpe kunn abgeschaltet werden.
• Bei Anordnung der Staustrahltriebwerke an den Bhttspi-tzen wird die Notlandefähigkeit stark verbessert, ltienn jeder Motor z. B.
• etwa 10 kg wiegt und an einem 11 m Rotor angeordnet ist, so stellen die Motoren eine große kinetische Rotationsenergie dar. Bei einer Senkung der Rotorgeschwindigkeit um nur 20 Umdrehungen/min während 2 sec bringt ein Äquivalent von 40 zusätzlichen PS während dieser Zeit. Bei einem Gesamtgeweicht von 645 kg kann diese kinetische Energie in Form einer zusatzlic'nen Auftriebsgesch1rindigkeit voil 60 cm/sec genutzt werden. Hierdurch wird die Manövrierfahigkeit IJesentlich erhöht.
• Bin Nachteil der Staustrahltriebwerke ist der hohe Treibstoffverbrauch. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen S-taustrahltriebwerke müssen diese jedoch lediglich während des Aufstiegs betrieben werden. Während der horizontalen Bewegung können sie abgeschaltet werden und der Flugsohrauber arbeitet als Tragschrauber. Hierdurch kann die Treibstoffkapazität wesentlich gesenkt werden.
• Die Breite des Staustrahltriebwerkes 9 ist etwas größer als die Sehne des Rotorblatts 8. Die Sehne des Rotorblatts beträgt etwa 22,5 bis 25 cm. Die Dicke des Tragflügels der Rotorblätter beträgt 12 bis 14 ß der Sehne. Somit liegt die Dicke der Rotorblätter 8 im Bereich von 2,5 bis 3,75 cm.
• Mit diesen Abmessungen kann ein rechteckiges Staustrahltriebwerk konstruiert werden. Dabei erreicht man jedoch nicht das beste ausgewogene Verhältnis von Kosten, Wartung und Leistung.
• Zu diesem Zweck muß die Breite des Staustrahltriebwerks 9 über diejenige des torblatts 8 vergrößert werden, so daß das Staustrahltriebwerk 9 eine ähnliche tragflügelförmige Gestalt haben kann wie das Rotorblatt 8, Was zu einer erhöhten Dicke führt. Zu diesem Zweck sind Profilierungen 10 zwischen Rotorblatt 8 und Staustrahltriebwerk 9 vorgesehen, welche den Widerstand herabsetzen. In ähnlicher Weise sind die Spitzen 11 zur Minimierung des induzierten Widerstandes gestaltet.
• Im folgenden wird das Staustrahltriebwerk 9 anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert. Das Staustrahltriebwerk 9 hat einen tragflügelförmigen Querschnitt und ist mittels einer Zunge 12 am Rotorblatt 8 befestigt. Die Zunge 12 weist eine oder mehrere Durchgänge 13 auf. Nicht dargestellte Bolzen greifen in die Durchgänge 13 ein sowie in entsprechende Ausnehmungen im Rotorblatt 8 und dienen zur Befestigung der Zunge 12. Die Abschrägung 10 befindet sich zwischen dem Rotorblatt 8 und dem Staustrabltriebwerk 9 zur Minimierung der Buftströmungsdiskontinuitätell zwischen dem Rotorblatt und dem Staustrahltriebwerk.
• Das Staustrahltriebwerk 9 weist einen allgemeinen rechtwinkligen Schlitz 20 entlang der Vorderkante 21 auf. Dieser Schlitz 20 dient als Lufteinlaß. Die Umhüllung des Staustrahltrieherks 9 ist durch eine obere Haut 14 und eine untere Haut 15 gegeben, welche um eine Innenrippe 16 und eine Außenrippe 17 geführt und darin befestigt sind.
• Jede dieser Rippen wist einen Flansch an der Innenseite auf, so daß die obere Haut 14 und die untere Haut 15 mittels versenkter Schrauben 18 und 21 daran befestigt sind. Die zuvor erwähnte Profilierung 10 ist ebenfalls mittels einer Vielzahl von versenkten Schrauben 19 am Flansch der Rippe 16 befestigt.
• Im vorderen Bereich des Staustrahltriebwerks 9 ist ein oberer Diffusor 22 angeordnet. Die Oberfläche des Diffusors 22 weist eine Ausnehmung 24 auf, welche den vorderen Teil der oberen Haut 14 aufnimmt. Die obere Haut 14 stößt gegen die Vorderkante der Ausnehmung 24 an und der Diffusor 22 und die Oberhaut 14 bilden eine ungebrochene Außenfläche. Ferner ist im vorderen Bereich des Staustrahltriebwerks 9 ein unterer Diffusor 23 vorgesehen. Auch dieser Weist eine Ausnehmung 25 auf, welche den vorderen Teil der unteren Haut 15 aufnimmt.
• Die untere Haust 15 stößt gegen die Vorderkante der Ausnehmung 25 an und der Diffusor 23 und die untere Haut 15 bilden eine ungebrochene Außenfläche. Der Umfang des Schlitzes 20 ist somit durch die Rippen 16 und 27 und durch die Vorderkanten der Diffusoren 22 und 23 definiert.
• Eine Treibstoffzufuhreinrichtung 30 ist mit einer Treibstoffleitung 32 verbunden, welche sich von der Rotornabe 7 durch das Rotorblatt 8 erstreckt. Die Treibstoffzufuhreinrichtung 30 erstreckt sich zwischen den Rippen 16 und 17 und ist etwa entlang der 30-%-Sehnenlinie angeordnet. Eine Vielzahl von Treibstoffdüsen 31 erstreckt sich von der Treibstoffzufuhreinrichtung 30 nach vorne. Diese Düsen 31 richten einen Treibstoffnebel direkt in Richtung auf den Lufteinlaß des Schlitzes 20.
• Ein Zünder 33 ist an der Rippe 17 derart befestigt, daß sich ein Zündelement 34 in die Verbrennungskammer zwischen der oberen Haut und der unteren Haut 15 und zwischen den Rippen 16 und 17 im Bereich hinter der Brennstoffzufuhreinrichtung 30 erstreckt. Eine Zünderschaufel 35 ist an der Rippe 17 befestigt understreckt sich um das Zündelement 34. Sie dient der Initiierung der Verbrennung des Treibstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Verbrennungskammer.
• Eine Vielzahl von Flammenhalter-Paaren 36 sind an der Treibstoffzufuhreinrichtung 30 befestigt und erstrecken sich von dieser rückwärts. Die dargestellten langgestreckten allgemein V-förmigen Elemente bilden nur eine Art einer Vielzahl von möglichen Flammenhaltern, welche in dem Staustrahltriebwerk vorgesehen sein können. Die genaue Formgebung der Flammenhalter hängt ab von den verschiedensten Betriebskriterien, wie z. B. der Betriebstemperatur, der ltärmeleitfähigkeit des umgebenden Materials und der Strömungsgeschwindigkeit durch das Staustrahltriebwerk.
• Eine der herkömmlicherweise allgemein hingenommenen Nachteile dieser Staustrahltriebwerke muß in dem großen Geräuschpegel während des Betriebs des Staustrahltriebwerks gesehen werden.
• Es ist bekannt, daß der durch das ausströmende Gas verursachte I,ärm proportional der Querschnittsfläche der Ausströmöffnung, dividiert durch den Umfang des Ausströmbereichs ist. Bei axial symmetrischen oder zylindrischen Staustrahltriebwerken hat der Umfang den kleinst-möglichen Wert, da ein Kreis den kleinst-möglichen Umfang einer bestimmten Fläche definiert.
• Daher ist der Lärmpegel in diesem Falle maximal. Nimmt man nun die gleiche Querschnittsfläche an, jedoch von rechteckiger Gestalt, so ist der Umfang größer als der minimale Umfang, d. h. der Lärmpegel ist herabgesetzt. Erfindungsgemäß kann die Höhle und die Breite der Auslaßöffnung innerhalb bestimmter Parameter modifiziert werden. Diese Parameter sind durch das verwendete Tragflügelprofil definiert. Auf diese Weise ist es möglich, die Umfangslänge zu maximieren und somit den Geräuschpegel herabzusetzen.
• Wie bereits erwähnt, verursacht ein tragflügelförmiges Staustrahltrjebwerk einen sehr geringen schädlichen Widerstand oder Randwiderstand, vorausgesetzt, daß die Auslaßöffnung geschlossen ist. Wenn man sich nun diese Möglichkeit eines geringen Randwiderstandes zunutzemachen will, so muß man in dem Staustrahltriebwerk eine Einrichtung vorsehen, mit der die Auslaßöffnung beim Abschalten des Staustrahltriebwerkes selektiv geschlossen werden kann, ohne daß hierdurch die Auslaßöffnung während des Betriebs des Staustrahltriebwerks nachteilig beeinflußt werden dürfte. Zusätzlich muß der Öffnungs- und Schließmechanismus befähig-t sein, den hohen Temperaturen der Abgase zu widerstehen oder diese Einrichtung muß in irgendeiner Weise gegen die heißen Abgase isoliert sein.
• Eine Einrichtung zum selektiven Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung ist in Fig. 3 gezeigt. Die Hinterkanten der oberen Haut 14 und der unteren Haut 15 enden an einer Stelle, welche kurz vor deren Schnittpunkt liegt. Die obere Haut erstreckt sich um eine gewisse S-trecke weiter zurück als die untere Haut.
• Eine tragflügelförinige Abdeckklappe 40 ist zwischen der hinteren Kante der oberen Haut 14 und der hinteren Kante der unteren Haut 15 angeordnet. Die Klappe 40 ist derart ausgebildet, daß sie sich als rückwärtige Verlängerung der tragflügelförmigen Flächen der oberen Haut 14 und der unteren Haut 15 bis zum Schnittpunkt dieser Flächen darstellt. Auf diese Weise erscheint zwischen der vorderen Kante und der hinteren Kante des Staustrahltriebwerks 9 lediglich eine fast nicht wahrnehmbare Diskontinuität.
• Der enge Abstand zwischen der oberen Fläche 41 der Klappe 40 und der oberen Haut 14 und zwischen dem unteren Teil der Vorderkante der Klappe 40 und der unteren Haut 15 beschränkt die Geschwindigkeit des Iiuftaustritts aufgrund eines Druckstaus in dem Staustrahltriebwerk 9. Innerhalb des Staustrahltriebwerks 9 kommt es nämlich zu einem Druckaufbau während die Klappe 40 in der Schließposition ist. Dieser Druckaufbau wiederum führt zur Ausbildung eines allgemein gekrtimmten Druckbereichs, welcher sich aus dem Schlitz 20 der Vorderkante 21 heraus erstreckt. Während der Bewegung des Staustrahltriebwerks 9 durch die Zuluft wirkt dieser Frontdruckbereich in gewisser Weise als feste Vorderkante und richtet die Suftströmung entlang der oberen Haut 14 und der unteren Haut 15.
• Auf diese Weise ist der schädliche Widerstand und der induzierte Widerstand oder Randwiderstand bei dem Strahltriebwerk nicht wesentlich größer als bei einem ähnlich geformten Tragflügelabschnitt.
• Wenn das Staustrahltriebwerk 9 gestartet werden soll, so muß die Klappe 40 natürlich verschwenkt werden, damit die Auslaßöffnung für die Verbrennungsgase freigegeben wird. Eine einfache Methode der Verlagerung der Klappe 4G ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Ein Paar Hebel 44 und 45 sind an den seitlichen Enden der Klappe 40 angebracht. Diese Hebel sind am Hauptrahmen des Strahltriebwerks 9 durch einen Bolzen und eine Gabelung 46 und 47 angelenkt. Ein Hebel 48 ist fest mit dem Hebel 45 verbunden, und zwar in der Nähe von dessen Anlenkstelle. Innerhalb der Profilierung 10 ist eine hydraulische Zylinder- und Kolbeneinrichtung 49 vorgesehen, und zwar nahe der Vorderkante des Rotorblattes 8. Die Kolbenstange 50 ist mit einer Betätigungsstange 51 durch eine Gabel und einen Bolzen 52 verbunden. Das andere Ende der Betätigungsstange 51 umfaßt eine Gabel 53, welche am Hebel oder Arm 48 angelenkt ist.
• Die Bet<-tigungskraft des hydraulischen Zylinders und Kolbens 49 wird durch den Treibstoffdruck in der Treibstoffleitung 32 bereitgestellt. Wenn die nicht gezeigte Drossel geöffnet wird, strömt der Treibstoff durch die Treibstoffleitung 32 zur Treibstoffzufuhreinrichtung 30. Ein Teil des Treibstoffs fließt durch eine Leitung 54 in den hydraulischen Zylinder 49. Der aufgrund des einströmenden Treibstoffs im hydraulischen Zylinder 49 erzeugte Druck treibt den Kolben und die Verbindungsstange 40 rückwärts, d. h. zur Klappe 40 hin.
• Diese Rückwärtsbewegung wird über die Betätigungsstange 51 auf den Hebel 48 übertragen. Der Hebel 48 wird zurückgeschwenkt und der Hebel 45 wird ebenfalls verschwenkt, so daß die Klappe 40 im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt wird. Diese Gegenuhrzeigerschwenkung der Klappe 40 senkt die Klappe von der oberen Haut 14 und der unteren Haut 15 weg, so daß die Abgas öffnung der Verbrennungskammer geöffnet wird.
• Die Winkelverstellung der Klappe 40 ist eine Funktion der mechanischen Hebelverknüpfung und der Kolbenbewegung. Die Kolbenbewegung und die Anordnung und Ausbildung der Hebelarme können weitgehend variiert werden. Daher werden keine exakten Dimensionierungsangaben gemacht. Statt dessen soll das gewünschte Betriebsverhalten erläutert werden.
• Zur völligen.Freigabe der Austrittsöffnung ist es erforderlich, die Klappe 40 im Gegenuhrzeigersinn um einen genügend großen Winkel zu verschwenken, daß die Klappe 40 unterhalb einer gedachten Linie zu liegen kommt, welche durch die rückwärtige Verlängerung der Außenflache der Unter1la1lt 15 definiert ist. Bei der gewählten Geometrie bewahrt die Klappe 40 bei der Abwärtsverschwenkung das hintere Ende der unteren Haut 15 nicht. Stattdessen wird ein schmaler Spalt gebildet, dessen obere Begrenzung und untere Begrenzung durch das Hinterende der unteren Haut 15 und die obere Vorderkante 55 der Klappe 40 definiert sind.
• Wenn sich die Klappe 40 in der unteren Position befindet, treten mehrere interessante und vorteilhafte Effekte ein.
• Zunächst führt die Trennung zwischen der Hinterkante der unteren Haut 15 und der oberen Vorderkante 55 der Klappe 40 zur Bildung eines Schlitzes, durch welchen eine gewisse Buftmenge, welche entlang der Außenfläche der unteren Haut 15 strömt, entweicht. Dieser Luftstrom fließt sodann um die Oberfläche der Klappe 40 in der Art einer Grenzschicht und diese Grenzschicht wirkt als Isolator und setzt somit den Wärmeübergang vom entweichenden Abgas auf die Klappe 40 herab. Somit steht die Klappe 40 bei der abgeschwenkten -Position nicht unter den schädlichen Einflüssen des sehr heißen Abgases.
• Wenn sich die Klappe 40 auf einer Umgebungstemperatur befindet, welche niedriger ist als die Tempaatur des Abgases, so kann das Material der Klappe 40 Aluminium oder ein anderes weiches Material mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sein, welches aderfalls nicht zum Betrieb bei hoher Umgebrngs temperatui geeignet wäre. Die Verwendung eines spezifisch leichten Materials macht die Auswuchtung des Staustrahltriebwerks in Bezug auf den gewünschten Schwerpunkt leichter.
• Bin weiterer Vorteil dieser mechanischen Anordnung zur Betätigung der Klappe 40 besteht darin, daR. die Klappe 40 in der unteren Position den durch die tragflügelförmige Gestalt des Staustrahltriebwerks bewirkten Auftrieb erhöht,und zwar in gleicher Weise wie herkömmliche Klappen den Auftrieb eines Tragflügels vergrößern. Es ist natürlich richtig, daß die Verwendung einer solchen Klappe nicht nur die Auftriebsfähigkeit erhöht, sondern auch den Widerstandsfaktor. Der Widerstandsfaktor kann jedoch durch sorgfältige Wahl der Tragflügelgestalt der Klappe 40 auf ein Minimum gebracht werden und durch Anordnung der Klappe 40 in einer solchen unteren Position in der der Klappenwinkel das beste Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand liefert.
• Im folgenden soll die Arbeitsweise des Ausfahrens und Sinfahrens der Klappe 40 erläutert werden. Zur Zündung des Staustrahltriebwerks 9 betätigt der Pilot einfach die Treibstoffpumpe und öffnet die Drossel in der Kanzel, so daß Treibstoff zum Staustrahltriebwerk 9 strömt. Gleichzeitig dreht der Pilot die Zündung, so daß das Zündelement 34 des Zünders 33 gezündet wird. Der Treibstoffnebel, welcher durch die Treibstoffdüsen 31 ausströmt, wird durch das betätigte Zündelement 34 gezündet, so daß in dem Staustrahltriebwerk eine Verbrennung stattfindet. Der durch die Treibstoffleitung 32 zur Treibstoffzufuhreinrichtung 30 fließende Treibstoff fließt ebenfalls durch die Leitung 54 zum hydraulischen Zylinder und Kolben 49. Der Treibstoffdruck in der Leitung 32 und in der Leitung 54 ist dabei ausreichend, den Kolben und die Kolbenstange 50 rückwärts zu verschieben.
• Diese Rückwärtsverschiebung der Kolbenstange 50 zwingt die Betätigungsstange 51 ebenfalls rückwärts, wodurch die Klappe 40 über den Hebel 48 und den Hebel 45 abwärts verschwenkt wird. Somit wird ganz einfach durch Starten des Staustrahltriebwerkes 9 und durch den Beginn des Treibs-toffstroms die Klappe 40 automatisch abwärts verschwenkt und die Austrittsöffnung des Staustrahltriebwerks 40 wird geöffnet.
• Wenn der Pilot das Staustrahl-triebwerk 9 abzuschalten wünscht, muß er lediglich den Brennstoffstrom durch die Leistung 32 unterbrechen. Der Mangel an Treibstoff führt zu einer Druckminderung im hydraulischen Zylinder 49. Die in der unteren verschwenkten Position- befindliche Klappe 40 steht aufgrund des Luftstromes in der Umgebung der Klappe unter einer aufwärts gerichteten Kraft, so- daß- die Klappe im Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Zuvor wurde diese Verschwenkung der Klappe im Uhrzeigersinn durch den Druck im hydraulischen Zylinder 49 verhindert. Nun jedoch führt der Abbau des Drucks im hydraulischen Zylinder 49 zu einer Senkung der auf die Klappe 40 ausgeübten Gegenkraft, so daß die Klappe 40 im Uhrzeigersinn verschwenkt wird und die Austrittsöffnung verschlieS-t.
• Damit sichergestellt ist, daß die Klappe 40 richtig positioniert ist und die Austrittsöffnung richtig verschlossen ist, wird eine vorgespannte Feder 56 zwischen der Verbindungsstange 50 und dem Gehäuse des hydraulischen Zylinders 49 vorgesehen.
• Die Feder 56 zieht die Klappe 40 im Gegenuhrzeigersinn nach oben und hält die Klappe 40 in der richtigen Position in Bezug auf die Austrittsöffnung. Die Vorspannungskraft der Feder 56 muß natürlich durch die auf den Kolben im Zylinder 49 ausgeübte Kraft überwunden werden, damit die Klappe 40 abwärts verschwenkt werden kann.
• Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der beschriebenen Klappe 40. Der verlagerte SchFrenkpunkt gemäß Fig. 3 kann bei einigen Anordnungen mechanische Schwierigkeiten und Komplikationen ergeben. Um diese Schwierigkeiten und I(omplikationen zu überwinden, kann man die Klappe 60 auch um deren Vorderkante 61 verschwenken. Die Vorderkante 61 befindet sich sehr nahe an der Hinterkante der unteren Haut 15.
• Ein Hebelarm 63 ist fest mit der Klappe 60 verbunden und dient als Betätigungsarm für die Verschwenkung der Klappe.
• Eine teilweise gezeigte Betätigungsstange 64 ist an dem Hebelarm 67 angelenkt. Das andere Ende der Betätigungsstange 64 ist mit dem hydraulischen Zylinder und Kolben in oben beschriebener [eise verbunden. Die Art der Betätigung der Klappe 60 ist identisch mit der Betätigung der K]appe 40.
• Um zu verhindern, deß die heißen Abgase des Staustrahltriebwerkes 9 auf die Klappe 60 auftreffen und diese möglicherweise beschOdigen, kann tllan eine räumliche Trennung zwischen der Vorderkante 61 und der Hinterkante der unteren Haut 15 vorsehen. Der dabei freigelassene Schlitz erlaubt den Durchtritt einer gewissen liftmenge, welche um die Außenfläche der unteren Hau-t 15 strömt. Diese Luftmenge, welche aufgrund des geringen statischen Druckes des Abgases durch den Schlitz gezogen wird, strömt entlang der oberen Fläche 62 der Platte 40 und baut eine thermische Barriere zwischen der Klappe 60 und den heißen Abgasen auf. Somit kann die Klappe 60 aus einem leich-ten Material, wie Aluminium bestehen, welches andernfalls durch die heißen Temperaturen der Abgase beschädigt würde.
• In der ausgefahrenen Position erzeugt die Klappe 60 einen ähnlichen Auftrieb wie die Klappe bei einem herkömmlichen Tragflügel. In der verschlossenen Position oder eingefahrenen Position bildet die Klappe 60 eine Verlängerung der oberen Haut 14 und der unteren Haut 15 und vervollständigt somit die Tragflügelgestalt des Staustrahltriebwerks 9, wie bereits anhand der Klappe 40 erläutert.
• Durch die tragflügelförmigen Staustrahltriebwerke an den Spitzen des Rotors wird erfindungsgemäß die kinetische Rotationsenergie des Rotors erhöht. Ferner wird ein zuszlicher Auftrieb bewirkt. Der Widerstand wird gesenkt und der Geräuschpegel wird verringert. Die Austrittsöffnung des Staustrahltriebwerks kann leicht durch Betätigung der Treibstoffzufuhr geöffnet bzw. geschlossen werden.

Claims (10)

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Staustrahltriebwerk für den Blattspitzenantri eb von Drehflügelflugzeugen nit einer rechteck.igen schlitzförmigen Jufte inströmöffnung und einer damit fluchtenden rechteckigen schlitzförmigen, wahlweise zu schließenden und zu öffnenden Abgasaustrittsöffnung und mit einer tragfl iigelföruligen Umhüllung mit einer oberen Haut und einer un-teren Haut, gekennzeichnet durch eine verschwenkbare Flügelklappe (40;60) im Bereich der Abgasaustrittsöffnung zum Öffnen und Verschließen derselben und durch eine Betätigungseinrichtung (44 - 56; 63, 64) zum wahlweisen Verschwenken der Flügelklappe (40;60) in eine untere Position in der die Abgasaustrittsöffnung offen ist und der Blattspitzenauftrieb erhöht ist und das Staustrahltriebwerk einen Schub entwickelt bzw.

in eine obere Position, in der die Flügelklappe (40;60) Teil des Tragflügelprofils der Umhüllung bildet und die Abgasaustrittsöffcung verschließt, wobei das Staustrahltriebwerk abgeschaltet ist.

2. Staustrahltriebwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch quer in der tragflügelförmigen Umhüllung angeordnete Brennstoffdüsen (31) und Flammenhalter (36).

3. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definierung des Suftstroms durch die Lufteintrittsöffnung (20) ein oberes Profilierungebauteil (22) und ein unteres Profilierungsbauteil (23) im Bereich der Lufteintrittsöffnung vorgesehen sind.

4. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelklappe (40;60) Tragflügelgestalt hat.

5. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelklappe (40;60) an der Umhüllung angelenkt ist.

6. Staustrahltriebwerk nach einer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet5 daß die Anlenkstelle der Flügelklappe (40;60) bn Abstand von der Vorderkante der Flügelklappe (40;60) angeordnet ist, so daß die Vorderkante der Flügelklappe (40;60) bei der Schwenkbewegung einen Bogen beschreibt.

7. Staustrahltriebwerk nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (44 - 56; 63, 64) -einen durch den Treibstoff des Staustrahltriebwerkes betätigten -Zylinder (49)- mit Kolben umfaßt sowie ein Hebelgestänge (50 - 53; 63, 64:) zwischen-der Flugelklappe (40;60) und dem Kolben des Zylinders (49).

8. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlenkstelle mit der Vorderkante der Fligelklappe (40;60) zusammenfällt und mit der Unterkante der Abgasaustrittsöffnung fluchtet.

9. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (56), welche die Flügelklappe (40;60) in der die Abgasaustrittsöffnung verschließenden Position unter Vorspannung hält.

10. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (a4 - 56; 63, 64) auf das Einschalten oder Ausschalten des Staustrahltriebwerkes anspricht.